值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗
2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
2011年10月，德国最大的太阳能公司Solar World向美国商务部提交了一份专门针对75家中国光伏企业的“反倾销反补贴”调查申请。由于产能过剩，当时国内光伏企业的业绩已经哀鸿遍野。若“双反”一开，必然雪上加霜，整个行业都会被推到了悬崖边缘。
然而出乎所有人意料的是，中国的光伏行业不但顽强地活了下来，而且在不到十年的时间里，以超过100％的年均增长率为中国打造了又一个世界级产业。
无独不偶。
在《宁德时代、比亚迪们的下一个十年》中，我们曾经提到在锂电池行业，中国企业是如何在日韩巨头的夹缝中一步步成长，最终具备了强大的国际竞争力。
国内光伏和锂电行业的崛起，共同特征都是弯道超车——基于“补贴”这个弯道，当国内龙头企业在全球范围内具备核心竞争力之后，“退补”出清，带来了龙头集中度的提升。
而根据国泰君安产业研究中心的判断，未来十年，芯片国产化将是国内半导体企业最大的弯道。
以史为鉴，在整个泛半导体产业链的国产化进程中，什么样的企业会脱颖而出，效仿过去十年的光伏和锂电成为产业龙头？
国君研究“下一个十年”专题研究系列第二篇，聚焦半导体材料细分领域，从不同产业链成长的历史中，寻找材料企业成长的模式和优秀企业的特征。
01
光伏，战“隆”在野
战略选择决定企业优势
2011年的隆基股份还是一家单纯做单晶硅的公司，与后来成就自己的光伏之间，相隔的是一整条光伏产业链。
而当我们回头去读隆基股份2012-2018年的年报，才能真正体会到教科书里频繁出镜的“战略选择”的重要性——
在当年单晶多晶技术路线之争打得火热之际，看准行业的方向或许并不困难，但隆基能够持续坚持战略选择，而且在遇到下游组件厂商阻力时，以极高的战略执行力将产业链拓展至下游单晶组件，引领PERC技术成为主流，最终打败了历史上的“亚洲硅王”保利协鑫，完成产业链一体化，这实属不易。
▼光伏产业链核心环节：硅料-硅片-电池-组件
数据来源：国泰君安《爱旭科技首次覆盖报告20190412》
在2012年上市第一年的年报中，隆基就清晰地阐述了自己在技术路线上的战略选择，以及在产业链中的市场定位：
“晶硅路线是未来十年的主流光伏技术路线，相对薄膜路线具有投资成本低、产业基础稳定、产业化前景广阔等优势；单晶路线与多晶路线相比具备可持续发展优势，其生产工艺和技术门槛高，对区域布局要求高，高转化效率所带来的度电成本降低空间大；聚光电池技术路线和物理法多晶硅短期缺乏产业发展前景。
在以上分析基础上，隆基股份将单晶路线作为长期发展的技术路线。
同时，上下游的交易成本在成本中所占比重较低，多领域投资和垂直一体化模式对企业资源能力和风险承担能力要求偏高，鉴于这些分析基础，隆基股份在主要光伏企业进行垂直一体化扩张时仍坚持专业化战略定位，取得了单晶领域技术、成本等多方面的领先优势。”
——隆基股份2012年报
一年后的2013年，单晶还是多晶好的争论在中国光伏产业界仍旧甚嚣尘上。面对汹涌的质疑，隆基在年报中开始体现出对整合下游组件制造商的“野心”：
“目前国内光伏应用市场以多晶产品为主，单晶产品的份额不足10％，单晶价值没有得到充分认可，主要原因在于渠道不畅，销售推动力不足。
在通往电站的渠道中，组件制造商占据主导地位，其对单晶、多晶的选择推广尤为重要。在光伏产品供应不足的时期（2005—2008年，2010—2011年），多晶产品因为工艺简单，产能快速扩张，国内主流电池组件企业均是多晶为主的一体化企业。
目前国外光伏应用市场单晶产品比例明显高于国内市场。2013年我国硅片出口共16.94亿美元，其中单晶硅片出口7.05亿美元，占总出口额的41.6％。国外成熟市场光伏制造及应用市场单晶比例提升趋势明显。”
——隆基股份2013年年报
不到一年后，隆基股份就出手对下游的光伏电站和电池组件业务进行了整合：
“产业链整合与新业务的培育取得实质性进展，有望成为新的利润增长点。2014年公司启动产业链整合，收购了浙江乐叶光伏科技有限公司，将产业链拓展至组件业务。”
——隆基股份2014年年报
尽管外界对光伏产业多年来的政府补贴议论纷纭，但我们坚持认为，补贴成就不了世界级的企业，是敏锐的技术觉察能力、强大的整合执行能力，以及坚定的战略选择能力成就了隆基。
02
产业链培育
成就锂电行业的宁德时代
2010年，我们刚刚开始研究锂电的时候，基于日韩的历史经验，认为材料环节是技术壁垒最高、盈利能力最强的环节，技术突破能力是我们当年衡量企业核心竞争力的最重要标准。
然而经历了锂电行业高速成长的10年再回头看，当年我们重点推荐的具备高技术壁垒的佛塑科技因为隔膜子公司的激励问题销声匿迹，江苏国泰和杉杉股份因为多元化的问题竞争力也已大不如前，新宙邦、当升科技虽然仍是子行业龙头，但市值和盈利增速远远弱于行业整体，反而是当年我们认为最没有技术壁垒的电芯和组件环节，出现了一家具备全球竞争力的独角兽——宁德时代。
全球新能源汽车销量从2011年的5.1万辆增长至2018年的237万辆，增长超过40倍，GAGR达到73％，而宁德时代在2014-2018年的装机量和收入的增长远超行业，考虑降价因素，收入的年复合增速仍然超过200％。
回顾宁德的发展史，和轻资产的上游材料环节不同，锂电电芯环节的资本开支强度高达4-5亿元/GW，因此友好的融资环境以及前期果断的大量资本开支，让宁德拥有了先发的规模化优势——2018年，宁德时代在国内的市占率已经超过40％，全球市占率21.9％。
与此同时，由于下游汽车对于稳定性、均一性要求高，成本和生产的管控能力是锂电电芯企业的核心竞争力，规模化带来的成本优势成了天然的壁垒。
不过比先发和规模优势更重要的，是宁德时代在设备和材料的国产化培育方面做的大量工作。宁德成功培育了大批本土供应商，让动力电池上游的国产化率超过80％，这也让其对产业链资源有了极强的控制能力。
这与日韩电芯组件环节的LGC、SDI、SKI、松下形成鲜明对比，后者之所以常年亏损，一个重要的原因就是日韩的产业链格局中，材料环节存在高壁垒，把控着利润的大头。
而宁德时代通过“控制关键原材料+输出配方+材料厂代工”模式，对上游具备强议价能力。
▼CATL对供应商的管控能力极强
数据来源：上市公司年报/招股书、国泰君安证券研究
如果从长周期视角来看，赛道的好坏、商业模式的优劣，就如同杜邦分析里面的杠杆率一样，是个内生变量。而一家优秀的公司，可以改变整个产业链的竞争格局。它竞争优势的外在体现可能是优秀的供应商管控能力、优秀的生产管理，以及大规模研发团队带来的高速技术迭代，内在体现很可能是创始人的愿景情怀、用人之道，以及与之相匹配的激励体系和制度。
03
半导体材料
历史是否正在重演？
历史上光伏、锂电的弯道是补贴和退补，通过惨烈地市场化竞争，找出具备全球竞争力的龙头企业，颠覆了整条产业链的竞争格局。
而由于面板和半导体的资本开支强度远远高于光伏和锂电，半导体行业的弯道则体现在大基金和国家队的投资上，从而实现产能转移。
▼集成电路贸易逆差持续扩大
数据来源：海关总署、wind、国泰君安证券研究
半导体材料主要分为晶圆制造材料和封装材料，其中晶圆制造材料包括硅片（37％）、光刻胶、光刻胶配套试剂、湿电子化学品、电子气体、 CMP 抛光材料、以及靶材等；芯片封装材料包括封装基板（39％）、引线框架、树脂、键合丝、锡球、以及电镀液等。
可以看出，和光伏锂电不同，半导体材料是半导体产业链中细分领域最多的环节，且技术路径相去甚远，材料成本合计占比仅10％。
▼半导体材料品类众多
数据来源：SEMI、wind、国泰君安证券研究
不过有失必有得。与光伏产业的野蛮生长不一样的是，半导体产业的下游由国家主导，因此竞争格局相对稳定，这也让半导体材料企业拥有更大的发展空间。
我们认为，材料企业的核心不单单基于研发，更多在于满足客户多样性的需求，帮助客户成长，因此降成本、改进工艺都是好的盈利模式，基于客户需求出发的技术服务能力将成为企业成长的驱动力。
从这个角度看，在半导体材料领域，对标日韩成长路径更加可行。
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半导体材料的下一个十年
你可能关心的三个问题
1. 长周期下，需求增速最好的阶段就是股东回报最好的时期吗？
目前的世界环境下，国内无论是一级投资者还是二级投资者都在看半导体行业，因为这个行业的国产化需求最为旺盛。
那么，需求增速最好的阶段就是股东回报最好的时期吗？如果我们以具备全球竞争力的家电行业为复盘对象，答案正好相反。
国泰君安家电研究团队在行业复盘中这样表示：
“90年代到21世纪初是中国家电行业大发展的时代，也是需求最旺盛的年代。然而2007 年初海尔的张瑞敏就说过，家电产业是充分竞争的行业，目前的利润率仅在2-3％之间，已经像刀片一样薄了。
直到2011年最后一波中央政府补贴退出之后，完全市场竞争的时代，没有无必要的政府政策约束，没有政府补贴干扰，加上竞争格局良好，原材料成本持续下行，家电行业龙头这才进入了一个盈利水准的长周期上升通道中。”
——范杨《国泰君安道合·理：空调行业10年复盘》视频
大规模制造、高壁垒的渠道，加上深入人心的品牌印象，是这一时期家电龙头“定价权”的主要来源，也是时至今日仍无人能够挑战的核心壁垒。因此，2010-2019年才是家电行业股东回报最好的周期。
我们并没有否认所有行业的需求逻辑，2009-2019，消费电子产能向国内的转移带来了大批优秀的上市公司，如立讯精密、舜宇光学、海康威视、欧菲光等等。我们只是认为，制造业的核心壁垒在于领先的规模优势，需求增速并不是判断赛道优劣的核心变量。尤其在未来十年，面临经济增速放缓的背景，如何在价格战中取得规模优势才是衡量制造业龙头的最优标准。
2.资本的介入和股权的变化将给半导体材料企业带来哪些影响？
当下，科技企业学习华为管理的热情，已经可以比肩十年前制造企业学习台塑的情景。关于华为的研究很多，看到皮毛的我们只想讲讲感受最深的两点。
首先，公司治理和内控最难的是代理人问题，华为98％以上的股份都是员工的，企业价值最大化和股东利益最大化一致，永远不会被资本裹挟，永远保持全员创业的激情。
▼公司治理和代理问题
数据来源：国泰君安《公司研究框架》
其次，企业文化的建设和传承，空喊是没用的，需要与之相匹配的激励机制，比如996工作制和8年退休制度更有利于狼性文化的传承。8年退休可以永久拿分红，996锁死了工作时间，基于理性人假设，与其蹉跎度过，不如拼尽全力干满8年多拿股票早退休，而退休制度也给年轻人更多的发展和上升空间。
华为的股权模式无法效仿，但产业资本的介入和股权关系的变化很可能带来激励的改变和企业新的活力。
例如宁德时代绑定车厂，除了订单之外，更重要的是利益的分配，大幅降低车企上游一体化的动机。
因此我们观察半导体材料公司的发展，一个重要的切入点也是能不能像隆基一样拥有战略选择的定力和整合产业链的野心，考虑到半导体材料的复杂性和产业链下游的特殊属性，横向发展成为平台型公司或许是半导体材料企业更好的选择。
3. 那么，平台型半导体材料企业的成长路径是什么？
无论一级还是二级，从苹果供应链到华为供应链，再到5G的爆发，需求逻辑下对技术壁垒的偏好和执着一直是投资者的共性。
然而就像我们复盘锂电行业的发展时看到的，从长周期视角来看，科技类产品具有高速迭代和材料环节价格持续下降的属性。
那么，龙头供应商盈利的持续性真的是靠技术壁垒么？
我们认为，半导体材料企业的成长路径，应当是基于客户需求的技术服务能力和相关多元化。
技术型企业家，公司的寿命取决于产品的寿命。销售型企业家，企业能做多大取决于能掌握多少客户资源。
不同于大化工的市场空间和同质化产品，企业核心竞争力来源于资源优势或技术突破。对于半导体材料企业来讲，技术服务能力是胜出的关键。
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